컴퓨터용 라디에이터의 열전달 및 유동특성 평가
차 동 안†, 권 오 경＊, 윤 재 호＊, 오 명 도
서울시립대학교 기계정보공학과, ＊한국생산기술연구원 에너지설비기술지원센터
Heat Transfer and Fluid Flow Evaluation of Radiator
for Computer Cooling
Dong-An Cha†, Oh-Kyung Kwon＊, Jae-Ho Yun＊, Myung-Do Oh
ABSTRACT: The performance of louver-finned flat-tube and fin & tube radiators for computer CPU liquid cooling were experimentally investigated. In this study, 7 samples of radiators with different shape and pass number (1, 2, 10) were tested in a wind tunnel. The experiments were conducted under the different air velocity range from 1 to 4 m/s. The water flow rate through a pass was 1.2 LPM. Inlet temperatures of air and water were 20℃ and 30℃ respectively. It was found that the best performance was observed in the louver-finned flat-tube sample considering pressure drop and heat transfer coefficient.
Key words: Computer CPU(컴퓨터 CPU), Flat-tube(평판관형), Liquid cooling(액체냉각), Louver-fin(루버 휜), Radiator(방열기)
†Corresponding author
Tel.: +82-41-589-8342; fax: +82-41-589-8330 E-mail address: cdongan@kitech.re.kr
기 호 설 명 Ai : 물 측 표면적 [mm2] Ao : 공기 측 표면적 [mm2] cp : 정압비열 [J/kg․℃] FD : 유동방향의 휜 길이 [mm] FP : 휜 피치 [mm] H : 휜 높이 [mm] hi : 물 측 열전달계수 [W/m2℃] ho : 공기 측 열전달계수 [W/m2℃] P : 압력 [Pa] Re : Reynolds 수 : 대수평균온도차 [℃] UA : 총괄열전달계수 [W/℃] 그 리 스 문 자 : 휜 효율 하 첨 자 e : 루버 끝단 i : 물 측 o : 공기 측 s1 : 루버가 없는 휜 s2 : 방향전환 루버 1. 서 론 컴퓨터의 소형화, 고밀도화 추세는 부품별 소 비전력의 밀도를 높이고 이에 따른 급격한 발열 량의 증가를 초래하기 때문에 효율적인 냉각방법 의 개발이 요구된다. 컴퓨터 내부에서 발생된 열
09-S-204
대한설비공학회 2009 하계학술발표대회 논문집 pp. 1153 ~ 1158Fig. 1 Schematic diagram of the experimental apparatus. 이 주위의 냉각유체로 적절히 방출되지 못하면 기기 내부의 온도상승을 유발해 컴퓨터 부품의 원활한 작동과 성능이 유지될 수 없기 때문이다. 실제로 전자칩의 작동온도가 설계온도보다 약 1 0℃ 높아지면 칩의 수명이 50% 이상 감소한다는 보고도 있다.(1) 특히, 단위면적당 발열량이 급격 히 증가하고 있기 때문에 컴퓨터의 안정적인 작 동을 위해서는 제품의 허용온도를 유지하기 위한 고성능 냉각기술의 개발이 시급하다고 할 수 있다. 컴퓨터 CPU 냉각방식에는 크게 공기를 이용하 는 방식이 보편화되어 사용되고 있으며, 최근에 는 미세채널을 이용하여 물로 냉각하는 수냉식 방식(2)과 압축기를 이용하여 냉각하는 방식의 연 구(3)가 활발히 진행되고 있다. 컴퓨터의 보급 수량이 늘어나고 높은 성능이 요구됨에 따라 PC 내부 발열량도 급격히 증가하 고 있으며, 초기의 공기를 이용하는 방식에서 냉 각성능이 뛰어난 수냉식 냉각방식으로 점차 변화 하고 있다. 수냉식 냉각 방식은 워터블록, 방열기, 펌프 (Pump), 배관으로 구성되며 소형 펌프를 이용하 여 물이나 다른 성분의 유체를 순환시키고 발열 부에서 워터블록으로 제거한 열을 방열기를 통하 여 상대적으로 온도가 낮은 본체 외부의 공기와 열교환으로 유체의 온도를 낮게 만들어 줌으로서 발열부를 낮은 온도로 유지하는 방식이다. 수냉 식 냉각 방식에서 발열부와 접촉하는 워터블록도 중요한 부분이지만 효율적으로 유체와 외부의 공 기를 열교환 시킬 수 있는 라디에이터도 대단히 중요한 요소이다. 지금까지 공조용 에어컨과 자동차용 라디에이 터에 적용되는 평판관형 루버핀(4-5)과 핀튜브형(6) 에 관한 연구는 활발히 진행되고 있지만, 컴퓨터 냉각용에 적용가능한 라디에이터에 관한 연구는 대단히 부족한 실정이다. 본 연구에서는 컴퓨터 CPU 발열량 150 W급 이상의 라디에이터를 설계하기 위해서 자동차용 으로 사용되는 라디에이터의 크기를 120×120 mm로 컴퓨터 CPU 수냉식 냉각용으로 축소 제 작하였다. 실험에 사용된 열교환기는 평판관형 루버핀과 핀튜브형 총 7종류이며 풍속과 유량을 변화 시켰을 때 열전달과 유동특성을 비교 평가 함으로써 컴퓨터 CPU 수냉식 냉각방식의 설계 자료로 활용하고자 수행하였다. 2. 실험장치 및 방법 2.1 실험장치 본 실험에서는 흡입형 풍동(Wind tunnel) 실험 장치를 구성하여 사용하였으며 Fig. 1은 본 실험 의 대상인 컴퓨터 CPU 냉각용 라디에이터의 실
Sample No.1 Sample No.2 Sample No.3 Sample No.4 Sample No.5 Sample No.6 Sample No.7 120×120㎜, Fin pitch : 1.5 mm, Louver pitch, angel : 1.5mm, 20° 120×120㎜ Fin tube 64 Fin 120×120㎜ Fin tube 72 Fin 120×120㎜ Fin tube 83 Fin 120×120㎜ Fan attachment 120×120㎜ Fan attachment
1 Pass 2 Pass 10 Pass 2 Pass 10 Pass
Table 1 Specifications of radiator
험장치 개략도를 나타낸 것이다. 실험장치는 크게 송풍장치, 덕트, 시험부, 온수 공급을 위한 항온조와 자료획득장치로 구성되어 있다. 물 측의 경우 온도와 유량을 일정하게 유 지하도록 항온조, 기어펌프, 디지털 유량계, 차압 계 등을 설치하였으며, 공기 측은 일정 풍속을 유지 할 수 있도록 팬(Fan) inverter를 설치하고 Tunnel로 유입되는 온도는 항온 항습기를 이용 하여 일정하게 제어 하였다. 그리고 다점 풍속계 와 마이크로 마노미터로 유입 공기의 풍속과 시 험부의 입․출구 공기의 차압을 측정하도록 하였 고 각각 5개의 T-type 열전대를 설치하여 입․ 출구 공기의 온도를 측정하고 이 온도로 유체의 혼합평균 온도(Bulk temperature)를 결정하였다 2.2 실험방법 Table 1은 실험에 사용된 라디에이터의 사양을 나타낸 것이다. 평판관형 루버핀은 튜브의 폭이 Parameter Conditions Air inlet temp. (℃) 20 Air velocity (m/s) 1, 2, 3, 4 Water inlet temp. (℃) 30 Water flow rate (LPM) 1.2
Table 2 Experimental conditions
19 mm, 9 홀인 1Pass(Sample 1), 2Pass(Sample 2) 2종류와 Sample 2와 동일하면서 팬이 부착된다 고 가정하여 팬모터 허브부를 막은 (Sample 6) 3 가지 종류를 실험하였다. 핀튜브형에서는 FPI(Fin Pitch Inch)가 다른 64Fin(Sample 3), 72Fin(Sample 4), 83Fin(Sample 5) 3가지 종류와 팬모터 허브부를 막은 64Fin(Sample 7) 총 4가지 종류를 실험하였다. Table 2의 실험조건과 같이 항온조에서 물의 온도를 일정하게 유지한 후 펌프를 가동시켜 유 량을 조절하였다. 그리고 풍동을 가동시켜 시험 부에서 풍속을 측정하여 일정 풍속으로 유지하도 록 한 후 항온 항습기를 가동시켜 Tunnel 입구 공기의 온도를 20℃로 일정하게 조절하였다. 유 입되는 공기와 물의 온도가 일정해지면 열전대를 이용하여 입구와 출구의 온도를 측정하도록 하였 다. 라디에이터의 열적성능을 비교하기 위해서 각 Sample을 교체하여 실험하였고 시험부의 온 도변화가 ±5℃이내, 압력은 ±5 kPa이내의 범위에 있을 때 정상상태에 도달하였다고 판단하고 이때 부터 데이터를 측정하여 데이터 레코더(MV200 30CH)와 RS-232C 케이블을 통해 PC로 전송하 여 처리하였다. 2.3 실험결과 처리 열전달량은 물측과 공기측의 평균값을 사용하
였고 여기서 , 와 , 는 공기와 물의 질량유량과 정압비열이다. , 는 공기와 물의 온도이다. (1) (2) (3) 총괄 열전달계수를 구하기 위해서 대수 평균온 도차를 이용하여 식(4)와 같이 구하였다. (4) 관내측 열전달계수 는 Nusselt수( )의 관 계식을 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다. (5) 여기서, 는 물의 열전도율이며, (7)는 식 (6) 및 식(7)에서 구할 수 있다.
≤
(6)
≤
(7) 여기서, 는 관 내부의 마찰계수로서 식(8)과 같이 구할 수 있다.(7)
(8) 공기 측 열전달계수 는 와 를 식(9)에 대입하여 구할 수 있다. (9) 여기서, , , , , 는 튜브의 외측면적, 튜브의 내측면적, 튜브 열전도계수, 총괄표면효 율, 튜브 벽 두께를 나타낸다. 식 (9)에서의 표면효율( )의 계산은 평판관 루 버핀 형상에 대해서 Shah(8)에 의해 제안된 핀효 율식(10)을 이용하여 구할 수 있다. (10) (11)
(12) (13) 하첨자 는 핀을 나타내며 , , , 는 핀 의 표면적, 핀의 열전달 계수, 핀 두께, 핀 높이 를 나타낸다. 공기측 열전달특성을 나타내는 j factor는 식 (14)에 의해 구할 수 있다. (14) 여기서, , 와 는 공기의 밀도, 비열 및 열교환기 코어에서의 최대속도이다. 열교환기의 압력강하의 특성을 나타내는 f factor는 식(15)와 같이 나타내었다.
(15) 여기서, , 와 는 각각 최소 자유유동면적, 공기측 전면면적 및 전체 열전달면적을 나타 낸다. 3. 실험결과 및 고찰 Fig. 2는 공기의 전면풍속에 대한 열전달량의 변 화를 나타낸 것이다. 관내의 물측 유량은 1.2 LPM 으로 고정된 상태에서 풍속이 증가함에 따라 열전 달량은 증가하는 경향을 보이며, 풍속 1 m/s에서 최소 125 W, 풍속 4 m/s에서 최대 286 W의 열전 달량을 나타내어 설계치를 만족함을 확인할 수 있 었 다 . 또 한 평 판 관 형 루 버 핀 이 핀 튜 브 형 라디에이터보다 약 15～25% 정도의 높은 열전달 량을 나타내었다. Fig. 3은 공기의 전면풍속에 대한 압력강하의
Forontal air velocity (m/s)
0 1 2 3 4 5 Heat t ransf e r r a te (W ) 100 150 200 250 300 Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4 Sample 5 Sample 6 Sample 7
Liquid flow rate 1.2 LPM
Fig. 2 Variation of air heat transfer rate with frontal air velocity.
Forontal air velocity (m/s)
0 1 2 3 4 5 Pressure dro p (kPa) 0 50 100 150 200 250 Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4 Sample 5 Sample 6 Sample 7
Liquid flow rate 1.2 LPM
Fig. 3 Variation of air pressure drop with frontal air velocity.
변화를 나타낸 것이다. 풍속이 증가함에 따라 압 력강하는 증대하는 경향을 보이며, 평판관형 루 버핀이 핀튜브형 라디에이터보다도 압력강하가 작게 나타나 압력강하 측면에서도 유리함을 알 수 있다. 팬이 부착된 것으로 가정한 Sample 비 교에서는 평판관형 루버핀에서 약 21.6%, 핀튜브 형 라디에이터에서 약 5.2% 정도의 성능저하가 발생하였다. Fig. 4는 공기의 전면풍속에 대한 열전달계수의 변 화를 나타낸 것이다. 풍속이 증가함에 따라 3 m/s까지는 열전달계수가 크게 증가하는 경향을 보이다가 4 m/s에서는 그 증가폭이 둔화됨을 알 수 있다. Fig. 2의 열전달량과 마찬가지로 평판 관형 루버핀이 핀튜브형 라디에이터보다 약 13～ 25% 정도의 높은 열전달특성을 나타내었다.
Forontal air velocity (m/s)
0 1 2 3 4 5 Heat t ransf e r co e ffi . ( W /㎡ ℃ ) 0 50 100 150 200 250 300 Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4 Sample 5 Sample 6 Sample 7
Liquid flow rate 1.2 LPM
Fig. 4 Variation of heat transfer coefficient with frontal air velocity.
Reynolds number 0 200 400 600 800 1000 j fact or 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4 Sample 5 Sample 6 Sample 7
Liquid flow rate 1.2 LPM
Fig. 5 Variation of j factor with the Reynolds number.
Reynolds number 0 200 400 600 800 1000 f fact or 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4 Sample 5 Sample 6 Sample 7
Liquid flow rate 1.2 LPM
Fig. 6 Variation of f factor with the Reynolds number. Fig. 5와 Fig. 6은 라디에이터의 열전달특성과 압력강하특성을 나타내는 j factor와 f factor를 나타낸 것이다. 레이놀즈수가 증가함에 따라 j factor와 f factor는 감소되는 일반적인 경향을 보 였으며, j factor와 f factor 모두 평판관형 루버핀 라디에이터가 우수한 성능을 나타내었다. 4. 결 론 120×120 mm의 평판관형 루버핀과 핀튜브형 라디에이터의 열성능을 실험적으로 파악한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. (1) 풍속에 따라 최소 125 W, 최대 286 W의 열 전달량을 나타내어 라디에이터 설계치를 만족하 였으며, 평판관형 루버핀이 핀튜브형 라디에이터 보다 약 15～25% 정도의 높은 열전달량을 나타 내었다. (2) 평판관형 루버핀이 핀튜브형 라디에이터보 다도 압력강하가 작게 나타났으며 팬이 부착된 것으로 가정한 Sample 비교에서는 평판관형 루 버핀에서 약 21.6%, 핀튜브형 라디에이터에서 약 5.2% 정도의 성능저하가 발생하였다. (3) 열전달계수는 평판관형 루버핀이 핀튜브형 라디에이터보다 약 13～25% 정도의 높은 열전달 특성을 나타내었다. (4) 레이놀즈수가 증가함에 따라 j factor와 f factor는 감소되는 일반적인 경향을 보였으며, j factor와 f factor 모두 평판관형 루버핀 라디에이 터가 우수한 성능을 나타내었다. 후 기 본 연구는 산업기술연구회의 “초고속 전자기기 용 마이크로 냉각시스템 상용화 기술개발 의 일 환으로 수행되었으며 이에 관계자 여러분께 감사 드립니다. 참 고 문 헌 1. Hanamann, R. J., 1981, Microelectronic device thermal resistance : A format for standardardization, Heat Transfer in Electronic Equipment (ASME HTD-20), pp. 39-48. 2. Kwon, O. K., Choi, M. J., Cha, D. A., Yun,
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